Тепловой насос, работающий от водяной скважины – возражения, сомнения и плюсы

Постройка частного дома, коттеджа, да и вообще любого малоэтажного жилья заставляет задуматься о его отопительной системе. Актуальный способ – использование для отопления геотермального теплового насоса.

Существует несколько типов тепловых насосов, различающихся по способу производства тепла. К популярным способам относят ТН с применением горизонтального контура с забором воды с поверхности водоема или с водяным контуром с использованием водяной скважины.

Создание отопления с помощью теплового насоса на водяном контуре часто становится очень актуальным и выгодным по сравнению с геотермальным контуром. Почему? Ответ самый простой. Достаточно пробурить водяную скважину на глубину от 10 до 100 метров, где найдется водоносный пласт, и пользоваться скважиной для работы ТН. Вода считается более эффективным теплоносителем, чем просто использование тепла грунта.

Для создания горизонтального контура требуется наличие участка большой площади. Для геотермального контура может понадобиться пробурить достаточно большое количество скважин. Возможностей для их бурения может не оказаться. Элементарно, могут отсутствовать подъездные пути для доставки буровой установки. Для монтажа ТН с получением тепла от грунтовых вод или водоносного пласта требуется пробурить всего две скважины. Одну для забора воды, другую для сброса отработанной воды. Это намного более легкое и менее затратное в экономическом плане действие.

Существует ряд возражений, касающихся бытовых тепловых насосов. Попробуем развенчать их на примере использования тепловых насосов Ovanter.

Скептики утверждают, что грунтовая вода, используемая для тепловых насосов, не относится к возобновляемым источникам энергии.

Грунтовая вода – идеальная подпитка энергией теплового насоса. Температура грунтовой воды круглый год составляет примерно от +4 до +7 о С. Она соответствует большинству регионов в России и никогда не падает ниже этого значения. Помимо водяной скважины источником энергии для земляного теплового насоса с водяным контуром может считаться: поверхностная вода или, если присутствуют, сточные или биологические воды, поступающие от очистных сооружений или сбрасываемые жидкости из промышленных стоков.

Основные виды воды, способной служить источником тепловой энергии для ТН с водяным циклом.

• Подпочвенные воды – температура в разных географических районах от +4 до +10 о С;
• Морская вода – температура на глубине от 25 до 50 метров колеблется в пределах от +5 до +8 о С;
• Грунтовые воды – отличаются наиболее стабильной температурой;
• Ближайший водоем (река, озеро, глубокий пруд). Контур укладывается на дно водоема или притапливается на глубину до 2 метров. К слову, 1 метр трубопровода, используемого для такого контура, соответствует 30 Вт тепловой мощности.

Чем выше температура грунта, тем более повышается тепловой коэффициент (СОР), тем меньше электроэнергии тратится на работу теплового насоса на производство теплоты.

Для тепловых насосов с горизонтальным контуром необходимо учитывать фактор охлаждения грунта.

На самом деле интенсивное использование геотермального тепла грунта влечет остывание почвы вокруг регистра труб системы теплосбора. Например, в северных регионах за короткий летний период грунт не успевает набрать нужную температуру. Поэтому зачастую, на начало следующего зимнего периода грунт выходит с пониженным тепловым потенциалом.

Понижение температуры грунта носит экспоненциальный (возрастающий) характер. Поэтому примерно через 5 лет эксплуатации системы теплоснабжения, тепловое состояние грунта после понижения температуры улучшается и выходит на относительно устойчивый уровень. Однако он будет все равно меньше естественного на 1 – 2 о С. Выход из положения находится. При проектировании системы теплоснабжения важно учитывать возможное охлаждение грунта в процессе ее эксплуатации.

Существует еще такой выход. Тепловые насосы, потребляющие тепловую энергию из грунтовых вод и водоносных пластов или из открытых водоемов, создают более стабильную систему теплоснабжения с устойчивой температурой. Пример, использование российских тепловых насосов Ovanter. Насосы этой фирмы работают в открытых системах грунтовых вод, где происходит постоянный водообмен. Пополнение грунтовых вод происходит за счет следующих источников, представляющих собой:

1. Воду, просачивающуюся с поверхности почвы;
2. Воду, которая поступает из более глубоких грунтовых слоев.

Теплосодержание грунтовых вод практически никогда не иссякает и подпитывается и «сверху», и «снизу».

Таким образом, эффективность зависит от толщины и глубины нахождения водоносного слоя. Температура водоносного слоя остается постоянной и не изменяется в течение всего периода. Практика строительства подобных систем свидетельствует, что максимальный температурный градиент в общей толще грунта в течение всего времени эксплуатации не превышает, как правило, 8-10 град/м. Значит, перепады температур будут очень малы. Значение температурного градиента наблюдается по вертикали и именно в том направлении, в котором более всего наблюдается интенсивность потока жидкости. Она компенсирует миграцию влаги под воздействием термоградиентных сил. Таким образом, система сбора низкопотенциального тепла грунта под влиянием потоков влаги в грунтовых порах в общем массиве не нуждается в особой точности математических расчетов.

Получение воды из скважины нуждается в бурении и некоторого, зачастую большого, количества трубопровода. Если вода низкого качества, это влечет появление солевых отложений и коррозии на стенках труб.

Современные технологии позволили найти решение по защите трубопровода от коррозии. Эффективным способом борьбы с коррозией считается применение пластиковых труб. Это самый действенный вариант в создании отопительной системы с мощными тепловыми насосами, способными работать со скважинами глубиной до 70 и более метров. Для трубопровода используются дешевые пластиковые трубы.

Проблема сброса воды после того, как вода прошла через теплообменник.

У кого-то может возникнуть вопрос: куда девать сброшенную воду? Сбросная вода, например, промышленных объектов может также использоваться в качестве источника энергии для тепловых насосов.

Сбросная вода, используемая для ТН частного дома, согласно технологическим условиям обязательно должна уходить в соседнюю скважину, расположенную на расчетном расстоянии от основной скважины и обратно в пласт.

Рис. №1. Схема использования теплового насоса открытого типа с отбором теплоты грунтовых вод. На схеме хорошо видно скважину для сброса воды.

Законодательные акты в виде Федеральных норм и правил обусловливают условия сброса воды и подводят под действия частных лиц юридическое обоснование. Кроме того, сброс воды при использовании в системе ТН не считается экологически вредным. Выброс вредных примесей в окружающую среду отсутствует.

Зависимость работы ТН от дебета скважины и аккумуляция возобновляемых запасов воды в дополнительном баке.

Со временем количество воды в скважине может уменьшаться, а качество якобы ухудшается.

Однако даже со временем, доставая воду со скважины глубиной до 70 и более метров объемом 3 – 5 м 3 /час, количество воды не уменьшается. Свойства воды, благодаря протоке во многом улучшаются

Вода может аккумулироваться в дополнительном резервуаре (баке для хранения запаса воды). В этом случае вода может использоваться без применения теплообменника. Например, использование бака аккумулятора емкостью 300 литров дает возможность копить тепловую энергию и выравнивает скачкообразное использование воды. Кроме того, ряд необходимых и дополнительных элементов в системе повышают ее качество, надежность и безотказность.

Тепловой насос совместно со скважинным насосом представляют собой мощную установку для подъема воды. При подъеме на поверхность вода разделяется. Часть воды используется для отопления. Другая часть воды, проходя через систему механической фильтрации, применяется для бытовых нужд. Если дом входит в категорию малоэтажных строений, можно брать воду для внутреннего потребления даже без использования дополнительной насосной станции.

Завязка в системе геотермального теплового насоса таких элементов как испаритель, компрессор, конденсатор, дроссель и теплообменник служит для приготовления воды для ГВС. Они замкнуты с помощью стального трубопровода с циркулирующим по нему хладагентом.

Солнечный коллектор для подогрева воды в аккумуляторе увеличивает эффективность системы отопления и горячего водоснабжения. Он, как и электронагреватель может служить для покрытия пиковых нагрузок.

В частности, эффективным средством для этого считается использование системы такого теплообменника, как фанкойл.

Кто-то может сказать, что при использовании воды из скважины существует опасность загрязнения теплообменников, а расходники для очистки воды стоят дорого.

Проходя по трубопроводу при скорости протоки от 1,2 до 5 м 3 /ч, вода уже очищается. Превышения марганца и железа, которые могут вызвать закупорку и снизить эффективность процесса теплообмена контролируются. Вода, проходя через фильтр грубой очистки и теплообменник, не нагревается и не взаимодействует с кислородом, поэтому не дает осадка.

Фильтрация способствуют очищению воды. Расходные материалы для фильтра грубой очистки стоят не дорого и находятся в свободной продаже.

Использование ТН только для малоэтажных построек.

Это предубеждение, что тепловые насосы с использованием водяной скважины невозможно применять для производственных и складских помещений или для высоких построек. Якобы, существующая мощность тепловых насосов теряет свою эффективность после того, как вода поднята с глубины 100 м.

Забор тепловой энергии из глубокой скважины – да. Он способен снабдить теплом только малоэтажные строения. Однако, ведь существует возможность брать воду для контура и из открытого водоема. В этом случае КПД теплового насоса повышается в разы.

Вывод: Бытовой тепловой насос с использованием воды из скважины может считаться наиболее актуальным и эффективным устройством для частного малоэтажного домостроения, производственных объектов и достаточно крупных жилых комплексов. При использовании грунтовой воды эффективность коэффициента преобразователя (СОР) может достигать 5, что позволяет производить добавочные 3-4 кВт тепловой энергии. Пример: тепловые насосы Ovanter класса Премиум.

Тепловой насос – это естественный источник тепловой энергии с выгодными экономическими и экологическими качествами, отличающийся и не зависящий от традиционных видов отопления.

Выбор теплового насоса с определенным циклом, в нашем случае это вода, строится на основании расчетов при создании технико-экономического проекта и возможности полноценного использования предоставленных условий окружающей среды.

Устройство и бурение скважины для теплового насоса

Энергоэффективность геотермального насоса, работающего по принципу земля-вода, зависит от правильного расположения, глубины, диаметра скважин для укладки первичного контура. Предварительно проводятся расчеты, помогающие установить глубину залегания зондов и их расположение.

Выполненная с соблюдением рекомендаций производителя и строительных норм, скважина для теплового насоса обеспечит достаточным количеством энергии, чтобы прогреть частный дом и удовлетворить потребности в ГВС.

Устройство и принцип работы скважины теплонасоса

Автономное независимое отопление дома от скважины с тепловым насосом состоит из двух контуров:

• • Первичный контур расположен под землей на глубине не менее 1,5 м или на дне водоема. Благодаря зонду происходит отбор тепла из грунта и передача его в теплообменник насоса. По трубам циркулирует пропиленгликоль или как его часто называют – рассол. По мере продвижения жидкость разогревается до 6-8°С, что более чем достаточно для обеспечения теплонасоса необходимым количеством низко потенциальной тепловой энергией.

• Второй контур располагается в геотермальном насосе. По трубам циркулирует фреон и посредством преобразования из жидкости в газ отбирает тепло у первичного контура. О том, как работает геотермальный тепловой насос, описывается здесь.

Существует несколько типов первичного контура, отличающихся технологией бурения геотермальных скважин для тепловых насосов. Наиболее подходящий вид скважины определяется в зависимости от мощности тепловой станции и фактических ожидаемых затратах энергии зданием.

Проведение работ по бурению скважин под геотермальный тепловой насос начинается с составления проектной документации и проведения геодезического аудита на участке.

Виды скважин для подключения теплонасоса

Существует три основных типа решений, используемых для укладки геотермального первичного контура. Способы бурения скважин рассчитывают исходя из нескольких параметров:

1. Способа укладки трубопровода.

Работы выполняют следующим образом:

Горизонтальное направленное бурение – для укладки трубопровода понадобится не менее 200 м² площади придомовой территории. Перед выполнением направленного бурения снимают верхнюю часть грунта ниже точки промерзания на 30-50 см. Глубина, как показывает практика, в зависимости от региона составит от 1,3 до 2 м.
Данный способ монтажа является наиболее простым, но трудоемким процессом. В качестве минусов можно выделить относительно низкую теплоэффективность решения.



Вертикальное бурение – ниже, приблизительно 20 метров над уровнем грунта температура увеличивается до 10-18°С, в зависимости от региона. Бурение вертикальной скважины под тепловой насос позволяет добраться до грунтовых слоев с лучшими показателями теплоотдачи, и, следовательно, увеличить эффективность обогрева дома.
Каждая скважина дает больше тепла чем при горизонтальной укладке контура. Соответственно, требуется меньше земляных работ, уменьшается стоимость бурения. В целом, за подключение придется заплатить приблизительно на 10-15% меньше.



Наклонное кластерное бурение – используется, если возможности установки вертикальных зондов ограничены площадью участка. Бурение скважин под углом осуществляется следующим образом. Сначала выкапывают один общий колодец. Так как для конструкции требуется всего 4 м², бурить можно даже в подвале своего дома. Колодец углубляют до 4 м, устанавливают в нем специальное оборудование. Дальше выполняется бурение скважин под углом или «кустом». Работы выполняются с помощью специальной техники.
Технология бурения для наружного контура «кустом» была разработана в Европе, где пользуется огромной популярностью. В нашей стране данная методика только начинает внедряться, поэтому еще не нашла широкого применения.



Какое количество скважин нужно для работы теплового насоса

Необходимое количество скважин высчитывают исходя из типа грунта и производительности оборудования. Большую теплоотдачу обеспечивает земельный участок с неглубоким прохождением подземных вод, наименьший процент тепла можно получить из песка.

Расчет скважины теплонасоса выполняется в согласии со следующими параметрами:

• • Песок и сухие отложения – даст всего 25-30 Вт на каждый погонный метр уложенного контура.
• • Водонасыщенный грунт – теплоотдача будет на уровне 60 Вт, на п.м. трубы.
• • Камень – гранит, известняк, базальт, имеют самые высокие показатели теплоотдачи, варьирующиеся от 65 до 85 Вт.
• Обычный грунт – по этим параметрам высчитывают среднее значение, равное 50 Вт на 1 п.м.

Глубина скважины для теплонасоса рассчитывается следующим образом:

• • В значение принимают средние параметры или показатели теплоотдачи 50 Вт на 1 п.м.
• • Высчитывают общую производительность теплового насоса. Для частного дома на 200 м² рекомендуется установить теплонасос с производительностью не менее 14 кВт.
• • Высчитывают общую протяженность контура. 14 кВт равны 14000 Вт. Соответственно, водяной контур имеет протяженность 280 м.
• Подсчитывают общее количество колодцев. Средняя глубина, принимаемая в расчет равняется 30 м. Для дома на 200 м², потребуется пробурить 10 скважин.

Если планируется уложить горизонтальный трубопровод, расчеты проводят несколько другим способом:

• • Учитывается зависимость количества тепла от количества труб в скважине. Оптимальным решением является уложение контура с шагом 1-1,5 м.
• • Получается, что 1 м² придомовой территории равен 1- 1,5 м. п. земляного коллектора.
• • Теплоотдача грунта, при горизонтальной укладке: водонасыщенный песок и щебень 40 Вт, обычная почва 20-30 Вт.
• Длина водяного коллектора будет 460 п.м.

Срок службы скважины под теплонасос

Производя расчет стоимости бурения необходимо учитывать, что минимальное время эксплуатации геотермального первичного зонда составляет не менее 50 лет. На время службы влияет то, какая труба используется для изготовления коллектора.

Расчетный срок эксплуатации нержавеющего металла составляет 70 лет, полимер прослужит 50-60 лет. В первый год укладки коллектора возможно проседание, требующее дополнительной корректировки и исправлений. В остальное время первичный контур будет работать с полной теплоотдачей и эффективностью.

Первоначальные затраты, отпугивающие потенциального покупателя, на самом деле полностью окупятся благодаря длительному сроку эксплуатации как самого насоса, так и геотермального контура.

Бурение скважин для системы тепловых насосов

Устройство скважины лучше доверить профессиональной монтажной организации. Оптимально, чтобы этим занимались представители компании, продающей теплонасос. Так, можно учесть все нюансы бурения и расположения зондов от строения, выполнить другие требования.

Специализированная организация поспособствует получению разрешения на бурение скважины под зонды для грунтового теплового насоса. Согласно законодательству, использование грунтовых вод в хозяйственных целях запрещено. Речь идет об использовании в любых целях вод, расположенных ниже первого водоносного горизонта.

Как правило, процедура бурения вертикальных систем должна быть согласована с органами государственной администрации. Отсутствие разрешений ведет к штрафным санкциям.

После получения всех необходимых документов начинаются монтажные работы, согласно следующему порядку:

• • Определяются точки бурения и расположения зондов на участке, учитывая расстояние от строения, особенности ландшафта, наличие подземных вод и т.д. Выдерживают минимальный разрыв между колодцами и домом не менее 3 м.
• Завозится оборудование для бурения, а также техника, необходимая для выполнения ландшафтных работ. Для вертикальной и горизонтальной установки требуется буровой и отбойный молоток. Для сверления грунта под углом используются буровые установки с веерным контуром. Наибольшее применение получила модель, работающая на гусеничном ходу. В полученные скважины укладывают зонды и заполняют зазоры специальными растворами.



Какая глубина скважины должна быть

Глубина рассчитывается исходя из нескольких факторов:

• • Зависимость КПД от глубины скважины – существует такое понятие, как ежегодное снижение теплоотдачи. Если колодец имеет большую глубину, а в некоторых случаях требуется сделать канал до 150 м, каждый год будет происходить уменьшение показателей получаемого тепла, со временем процесс стабилизируется.
    Сделать скважину максимальной глубины не самое лучшее решение. Обычно делают несколько вертикальных каналов, удаленных друг от друга. Расстояние между скважинами 1-1,5 м.
• Расчет глубины бурения скважины под зонды выполняется с учетом следующего: общая площадь придомовой территории, наличие грунтовых вод и артезианских скважин, общая отапливаемая площадь. Так, к примеру, глубина бурения скважин с высокими грунтовыми водами резко сокращается, по сравнению с изготовлением колодцев в песчаной почве.

Создание геотермальных скважин – сложный технический процесс. Все работы, начиная с проектной документации и заканчивая введением теплового насоса в эксплуатацию должны выполнять исключительно специалисты.

Чтобы подсчитать приблизительную стоимость работ используют он-лайн калькуляторы. Программы помогают высчитать объем воды в скважине (влияет на количество необходимого пропиленгликоля) ее глубину и выполнить остальные расчеты.

Чем заполнить скважину

Выбор материалов зачастую полностью ложится на самих хозяев. Подрядная организация может советовать обратить внимание на тип трубы и рекомендовать состав для заполнения скважины, но окончательное решение придется принимать самостоятельно. Какие есть варианты?

• • Трубы, применяемые для скважин – используют пластиковые и металлические контуры. Как показала практика, второй вариант является более приемлемым. Срок эксплуатации металлической трубы не менее 50-70 лет, стенки металла имеют хорошую теплопроводность, что увеличивает эффективность коллектора. Пластик проще монтировать, поэтому строительные организации зачастую предлагают именно его.
• Материал для заполнения зазоров между трубой и грунтом. Тампонирование скважины является обязательным правилом к выполнению. Если не заполнить пространство между трубой и грунтом, со временем происходит усадка, способная повредить целостность контура. Зазоры заполняют любым строительным материалом с хорошей теплопроводимостью и эластичностью, типа Бетонит.
  Заполнение скважины для теплонасоса не должно препятствовать нормальной циркуляции тепла от грунта к коллектору. Работы выполняют медленно, чтобы не оставить пустот.



Что лучше для теплового насоса – земляной коллектор или скважина

Технические характеристики скважины выглядят привлекательней, но проведение работ по бурению грунта невозможно выполнить без специализированного оборудования и техники. Горизонтальный коллектор можно уложить самостоятельно, но забор тепла от земли будет меньше практически в 2 раза.

Применение скважины оправдано еще по той причине, что это не отражается на ландшафтном дизайне. Так, сверху горизонтального контура запрещается сажать деревья с глубокой корневой системой, к вертикальному коллектору подобные требования не предъявляются.

Устройство геотермальной скважины ТН, выполненной с наклонным направлением, вариант практически не имеющий недостатков и лишен всех минусов, присущих остальным вариантам. Размещается всего на 4 м² и обеспечивает максимальную теплоотдачу.

Затраты на бурение окупаются уже через 3-8 лет. Вариант со скважинами полностью оправдан и эффективен, несмотря на то, что потребуются первоначальные вложения средств.